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無線通信系統發展新趨勢-智慧型合作式通信網路

◎林高洲

將說明未來運用與發展趨勢，期能使讀者充分瞭解並掌握智慧型合作式通信網路在未來無線通信系統運用中之重要性與發展遠景。

突破頻譜瓶頸的智慧型通信機

世界各國均將「無線電頻譜」視為寶貴、有限且重要的資源，為妥善管理，各國均由權責單位來針對「無線電頻譜」進行統一的分配與授權使用，然隨著無線寬頻的蓬勃發展，導致原所倚靠的分配機制出現無法滿足新業務需要的窘境，也因此讓各國開始重視「無線頻譜的使用狀況」；但頻譜真的不敷使用嗎？現有頻譜固定的指配方式真的合適嗎？

根據頻譜使用狀況研究顯示，在美國地區任何一個特定時刻，人們所用到的頻譜只佔所有可用頻譜的2%∼6%。因此，部署新一代無線寬頻服務所需要的頻譜實際並不匱乏，但卻無法充分的使用，主要原因在於限制使用這些頻譜的法規多如牛毛。換言之，世界各國目前缺乏一套可因應的政策、技術和方法，以彈性且具智慧的配置無線電頻譜，充分而且有效率的使用頻譜。

感知無線電已被認為是解決「頻譜不敷使用」的可行方案之一，它的概念是來自於無線環境的感知與學習（Radio Sensing and Learning），頻譜機會（Spectrum Opportunity）的認定與分配，以及頻譜機會的實現（Spec t r um Opportunity Realization），並且利用智慧型（Intelligent）感測方式獲得頻譜使用機會資訊，進而選擇最適網路或頻譜重組（Re-configure）的網路架構，有效做到頻譜共用，所以「感知無線電」是一種智慧型無線電，它具有自我感知、RF感知、用戶感知的能力，並將融合人工智慧技術從環境中學習，通過即時改變某些操作參數(如傳輸功率、載波頻率和調變技術)，使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計性變化，

前言

近年來，絕大多數的使用者都在不知不覺中融入到無線通信所帶動的浪潮中，無線通信也或多或少提供使用者在生活、工作、求學、交通與育樂等方面諸多的便利與效益；有想過嗎，這股浪潮是否會持續的鼓動、是否會遭受阻擋、它何去何從？這個問題難倒大多數的通信專家，但我們卻可以從使用者對生活事物的「感知」嘗試來解答。

因為群體依存的社會結構，注定無線通信發展的風潮會持續的鼓動，而且應會繼續朝向高傳輸率、高可靠度及高便利性等趨勢發展，但無線通信的發展必將遭受瓶頸，主要在於「有限的資源無法滿足無限的需求」；何謂「有限資源」，針對無線通信而言主要是指「頻譜是有限的、不可再生的戰略資源」，目前由於法律規章、指定分配方式之限制，導致頻譜資源變得日益擁擠而不敷使用，更是限制無線寬頻通信發展的瓶頸，突破瓶頸的方式就是「以智慧型方式有效率使用頻譜，以合作方式提升同聲容量和品質」，也就是無線通信系統發展新趨勢-智慧型合作式通信網路。

智慧型合作式通信網路必須結合感知無線電(Cognitive Radio, CR)[1-2]和合作通信(Cooperative Communication) [2-4]兩種技術來達成，藉著無線電的「環境感知」與「智慧調整」能力來達成高可靠、高品質及高效率之通訊服務，同時虛擬連結分佈於各區域的使用者通信終端，互為中繼並達到分集通信目的，來克服傳輸通道衰落並提升通信容量；合作通信技術和感知無線電技術是近年來受到重視的研究課題，感知無線電技術是一種智慧型通信系統，可提高頻譜的使用，合作通信技術可提高系統的傳輸能力，兩者的結合將會對未來的無線行動通信系統帶來重大影響。

基於考量，本文將針對智慧型合作式通信網路之運用概念與方式予以陳述介紹外，並

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以達到任何時間、任何地點的高可靠通信，最後做到頻譜資源的有效利用。

圖一示意可用來瞭解感知無線電突破頻譜限制的運用機制，一個多載波頻譜通信系統如果使用感知無線電技術，則其每個次載波可按不同時間安插使用到空閒頻譜中，有效做到「見縫插針、擴展頻譜」的功用，有效達到提高頻譜使用效率的目的。

圖一：感知無線電突破頻譜限制運用示意圖

感知無線電需藉由人工智慧技術，來使無線電機「感知(Awareness)」通信環境的變化，進行能自我「學習(Learning)」來調整傳輸參數，這些參數包含頻率、頻寬及功率等，期能達到高「效率(Efficiency)」、高「可靠(Reliability)」的傳輸品質；此外，通信機能「適應(Adaptability)」各種通信協定或滿足不同通信系統運用，它是一部符合多元運用、集各功能於一體的「智慧(Intelligence)」無線通訊系統；綜言之，感知無線電需具備感知、學習、效率、可靠、適應及智慧等六大能力，而且每一能力環環相扣、彼此合作以達最佳通信運用任務。

「智慧型」這種技術概念，在通信系統領域中並不陌生，因為它很早就在天線單元中被運用，如智慧型天線(Smart Antenna)源自於適應性天線陣列(Adaptive Antenna Array)，早已應用於雷達、聲納和軍事通訊領域，近年來由於數位訊號處理技術的迅速發展、IC處理速度的提高和價格的普及，使得智慧型天線技術能廣泛地運用在無線通訊系統中，在不增加系統複雜度情況下，有效滿足無線通訊系統的運用需求。所謂智慧型天線（如圖二）可視為一種充

分利用空間資源來進行訊號品質提升、干擾抑制(或消除)及適應性波束調整的機制，它充分利用訊號方向性的做法是「波束成形(Beamforming)」的技術，即指運用自我適應、調整功能之演算法，來驅動空間分集器(即陣列天線)，通過空間分集器權值(Weight)的計算來控制天線波束形狀，並輻射具有方向性的波束，能夠把主波束對準目標信號並即時追蹤信號，用以強化接收訊號品質；同時也能調整零陷點來對準干擾訊號用以抑制(或消除) 干擾，從而達到增加容量、擴大涵蓋面和提高傳輸速率目的。

圖二：智慧型天線(Smart Antenna)運用示意

無線通信的合作機制

隨著多媒體通信技術的發展和普及，人們對資訊量和資訊業務類型的需求不斷增加，任何一種單一網路或單一技術可能已無法滿足所有的需求；因此，必須透過聯合不同的終端、不同的機制、不同的技術、不同的系統，來產生它們各自獨立運行/應用時所不具有的能力， 這就是所通稱的「合作」機制。這種觀念在無線電通信環境中，已逐漸被重視和使用，如隨意通(Ad Hoc)網路[5]就是一種藉由通信中繼的合作機制，來克服地形限制、延展通信距離的技術，如圖三所示。

圖三：隨意通(Ad Hoc)網路之合作中繼示意圖

Frequency

T

I

M

E

Spectral Adaptation Waveforms

Frequency

T

I

M

E

Spectral Adaptation Waveforms

時

間頻 率

適應性頻譜波形

不同時間使用不同的空閒頻譜

見縫插針、擴展頻譜

發射端

中繼

接收端

中繼

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除了隨意通網路持續的發展外，這近來蓬勃發展的合作通信機制則著重在對不同通信網路間或同一通信網路內不同終端或不同技術間的合作。無線通信的合作技術研究，包含兩各面向：一是指單一無線通信網路內部不同終端或不同技術的合作，以增強單一無線通信系統的性能，另一則指異質無線網路間的相互合作，以提供異質無線網路高效益與高傳輸率；值得一提的是異質無線網路間的相互合作不是多種無線網路或者多種無線通信技術的拼湊，而是涉及到從頻譜和諧共用到通信協定互換設計、空中介面互通、業務協調、通信技術共用及網路安全協同等。

合 作 通 信 技 術 源 起 於 C o v e r 和 E l Gamal[6]在1979年所發表關於中繼通道(Relay Channel)的研究成果。中繼通道分析模型是一個包括起源節點、中繼節點與目的節點的三點模型，如圖四所示，中繼通道模型可分解成：廣播通道：起源節點A發送信號，中繼節點

B與目的節點C接收信號。多址通道：起源節點A發送信號，中繼節點

B將收到的信號處理後再進行轉發，目的節點C則接收來自A和B的所有信號。

圖四：中繼通道分析模型示意圖

Cover和El Gamal 研究證明，在白高斯雜訊(AWGN)環境下，中繼通道的容量大於起源節點與目的節點間通道的容量，而且通過三種不同的隨機編碼方式，可得到中繼通道容量的下限值。這三種方法是﹕簡易方法：中繼節點並不主動去幫助起源

節點，而是通過盡量減少干擾來幫助起源節點，提高目的節點的通信品質與可靠度。

協同方法：中繼節點先接收並完全譯出起源節點所有訊息，然後重新發送

起源節點A

中繼節點B

目的節點C

廣播通道

多址通道

至目的節點，以確保通信品質。觀察方法：中繼節點對從起源節點所收到訊息

的量化形式進行編碼後再傳送。上述這三種方法已成為合作通信系統中，各種中繼節點訊息處理方式產生的基礎[7]。

根據上述的方法概分，目前合作通信最常使用的方式有三種，分別是放大轉發(Amplify and Forward, AF)、解碼轉發(Decoded and Forward, DF)、編碼協作 (Coded and Cooperation, CC)。對放大轉發(AF)方式而言（如圖五所示），中繼節點對接收到的信號僅進行放大並轉發，而目的節點對接收到的兩路訊息進行合併處理，恢復出原來訊息。因此， AF本質上是一種類比信號的處理方式，也是一種最簡單方式，而且由於目的節點可接收到兩路獨立的衰落信號，所以AF可獲得分集增益，獲得良好性能；然因中繼節點在放大信號的同時也放大雜訊，故存在著雜訊傳播效應。

圖五：中繼節點放大轉發說明示意圖

解碼轉發(DF)（如圖六所示），中繼節點對接收到的信號進行解碼，解譯出起源節點傳送的訊息後，再進行中繼傳送，而目的節點對接收到的兩路訊息進行合併處理，恢復出原來訊息。因此， DF本質上是一種數位信號的處理方式，也是一種再生中繼的處理方式，故不會存在著雜訊傳播效應。

圖六：中繼節點解碼轉發說明示意圖

編碼協作 (CC)，如圖七所示，是將合作機制與通道編碼相結合，通過正確解碼

起源節點A

中繼節點B

目的節點C

廣播通道

多址通道

起源節點A

中繼節點B

目的節點C

廣播通道

多址通道

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訊息後，再重新另外編碼傳送；即兩條不同的衰落路徑發送碼字的不同部分，這時系統性能的改善是通過在不同空間重複發送冗餘資訊而獲得的；即各移動終端通過重新編碼發送了不同的冗餘資訊，把分集和編碼結合起來以提升系統性能。

圖七：編碼協作說明示意圖

在諸多的合作技術中，以多用戶合作通信（又稱協同通信）技術研究成果及獲得之效益最為顯著，這種方式運用概念是希望使用單副天線的各鄰近移動用戶可按照一定方式共用彼此的天線合作發送，從而產生一種類似多天線發送的虛擬環境，獲得空間分集增益(Spatial Diversity Gain)，有效提高多用戶通信系統的傳輸性能。

多輸入-多輸出(Multiple-Input Multiple-Output , MIMO)是一種運用無線環境中所充滿豐富的多路徑反射與折射特性，利用空間上的訊號處理技術，來提升通信容量和品質的，這種技術即是利用多天線發射與多天線接收的架構來達成，其架構示意如圖八所示。

圖八： MIMO 架構示意

MIMO通信架構可以使天線傳送相同訊息來達到「空間分集」或是在傳送端使用陣列天線並使每個天線陣列傳送不相同訊息的「空間多工」運用，期能除了提供高可靠度的通訊鏈路外，並能達到高速率的傳輸能力；有關MIMO之空間分集與空間多工的比較示意，請參考圖九。

起源節點A

中繼節點B

目的節點C

廣播通道

多址通道

圖九： MIMO空間分集與空間多工的比較示意

MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，是下一代移動通信系統中最具競爭力的技術之一，然確受限一般終端體積小而無法安裝多個天線因素，而無法有效推廣運用，基此原因，專家提出多用戶合作通信概念來解決。多用戶合作通信是一種分散式虛擬多天線(Virtual MIMO)傳輸技術，有效融合了分集技術與中繼傳輸技術的優勢，在不增加天線數量的基礎上，可在傳統通信網絡中實現並獲得多天線與多跳傳輸的性能增益。它可應用於蜂巢式行動通信系統無線Ad hoc網絡、無線區域網及無線傳感器網絡等。可以說，合作通信技術將是繼多載波調變技術、MIMO技術之後對未來無線通信的發展產生重大影響的一個研究重點。而且，合作通信技術非常彈性、靈活，可與現有多種技術相結合，突顯各自優點，例如，如與分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術相結合可以充分利用其抗頻率選擇性衰落的優點﹔與編碼或者空時編碼相結合，可以得到編碼增益﹔最後，合作通信機制應與感知無線電技術相結合，以提高頻譜檢測概率或者獲得更多的頻譜接入機會。

智慧型合作通信系統

如前所述，合作通信觀念很好、理論證明效益很高，但如何可以實現？尤其在一個多用戶行動通信中，如何選取中繼節點、如何構成虛擬MIMO、輻射多少功率及選取

TXTXTX RXRXRXTXTXTX RXRXRX

(a).空間分集

TXTXTX RXRXRXTXTXTX RXRXRX

(b).空間多工

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哪個頻譜使用？問題很多而且相互糾葛，真的要靠「智慧」來解決！智慧型合作通信系統就是一種解決方案，它同時融合感知無線電及合作通信機制，將以感知無線電來執行有「智慧」的分析、選擇、設定及調整，再以「合作」方式來確保通信品質、提升網路容量並達到頻譜的和諧共用。

扮演「核心智慧」的感知無線電係建構在「軟體無線」基礎上，納入「人工智慧」技術，使其具備感知能力和重新配置能力：(1)感知能力：感知能力使感知無線電能夠從

其使用的合作機制無線環境中偵蒐或感知相關訊息，從而可以辨識出特定時間和空間的未使用頻譜資源和空閒的中繼節點，並選擇最適當的頻譜、傳輸參數和通連時機來進行通信傳輸。

(2)重新配置能力：重新配置也就是「參數重新組態」能力，也就是一種傳輸過程中，在不改變硬體架構下，可以調整相關關傳輸參數，這些參數包含工作頻譜、調變波形、輻射功率、傳送格式、通訊協定及網路參數等。重新配置能力旨在不產生干擾因素下，選取最佳合作伙伴、調整最優傳輸參數，來獲取最通信品質並達到最高通信容量。綜上所述，感知無線電能夠感知再合

作機制下的通信環境的變化，並跟據人工智慧自我學習即是映能力來調整系統傳輸參數，它的運用模式如圖十所示，包含人工智慧、無線電環境分析，通道估計與預測，並將分析預測結果透過軟體無線電平臺進行傳輸參數調整等功能。

圖十：智慧核心的感知無線電運用模式說明示意圖

未來感知無線電可協助合作通信解決下列問題﹕(1)無線資源管理：這涉及到資源（如功

率、頻率、時間）分配與合作夥伴選擇等問題，合作通信的資源分配是近年來的研究重點，目前所提出提出的方案均屬集中式管理，在多用戶移動通信中所顯現的效果並非最佳；在一個多用戶的環境中，如何給各個終端選擇或分配最佳的協作伙伴非常重要，這直接影響系統的性能，此時若能引入感知無線電觀念，讓每一個終端用戶能適應性感知外在環境變化，進而選擇合作伙伴、調整無線通信資源，則可達到最佳狀況的運用。

(2)移動性中繼節點：目前的合作通信系統中的中繼節點往往都是移動性的終端，顯然其網路拓樸架構並非固定，導致中繼節點是需隨時間在變化，中繼節點的這種移動性會影響夥伴選擇等諸多關鍵問題，而且也很難掌握。因此，若能引入感知無線電觀念，讓每一個終端用戶能隨著本身位置改變，自我感知與外在環境的相對關係，進而重新調整自身角色，應能彌補移動性中繼節點所衍生技術問題。

(3)合作時機選擇：很多文獻證明合作通信確能帶來的增益，但很少考慮到合作通信的必要性，在實際的運用上或許不用每次通連均需尋找合作伙伴；基此，不妨可利用感知無線電的自我感知能力，選擇合適的「合作時機」，在確保傳輸性能的前提下提高資源的使用效率。

智慧型合作通信未來發展

從各國的研究發展可窺探出智慧型合作通信將成為未來寬頻無線電系統的主流，除了持續進行基本理論探討外，並會深入研究和MIMO、OFDM及Ad Hoc等相關結合應用所帶來的效益，如克服多路徑衰落、提高頻譜效率及延展通信距離等。此外，會開始碰觸一些重要領域的研究，如：

傳輸參數控制

動態資源管理

通道估計

通道預測模式

合作通信機制

射頻收發單元

無線電環境分析

軟體無線平台

人工智慧

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(1)與現有系統整合：雖然感知無線電與合作通信機制存在很好的效益，但畢竟改變傳統通信運用思維；因此，真正要落實智慧型合作通信的普及，需將它與現有系統（如WiMax、WiFi及3G等）整合，並將智慧型合作通信觀念納入標準。

(2)資訊安全問題：智慧型合作通信需能保證在合作伙伴之間的數據保密性，使在合作通信的機制中，使中繼節點可檢測到同伴的數據，而無法理解同伴傳輸的內容；唯有如此，廣大的用戶才能安心使用智慧型合作通信系統。

(3)動態頻譜管理：智慧型合作通信在整個通連過程中，可能跨過很多不同系統，使用不同頻動，而這些傳輸參數與頻率，都是感知無線電自我選取，因此需有很好的動態頻譜管理機制，使授權用戶、非授權用戶及各種不同系統頻譜參數，都能和諧共處。

(4)驗證系統開發：智慧型合作通信畢竟是一種新概念，除了理論基礎與模擬驗證外重要的是需建立一個跨平台驗證系統，這些驗證系統可作為驗證感知無線電及合作通信的基本理論、關鍵技術研究，同時提供測試環境，用以驗證各種演算法則、頻譜使用效能，未來更可作為推動感知無線電的大規模應用，必要時更可作為各種異質網路構連連結運用之測試。

(5)新技術運用研究：智慧型合作通信將成為下一代寬頻無線通信的通用平台，故需著眼如何與無線前瞻技術搭配使用，如與跳頻通信、調變編碼、WCDM、空時區塊編碼(Space-Time Block Coding, STBC)及MIMO-OFDM等結合，以提供提供多元、多樣及高速無線寬頻通信服務，並能突破使用頻譜限制、延展通信範圍，提供穩定可靠的通信品質，進而開拓智慧型合作通信更寬闊的運用遠景。

結語

無線寬頻將多元、多樣的電信服務，勢必為生活帶來很大的便利性，然也凸顯無線頻譜不敷使用及通信能力待提升等根本問題，使得結合感知無線電與合作通信機制的智慧型合作通信概念應運而生，智慧型合作通信具有延展通連距離、提升系統容量、突破頻譜限制與避免電磁干擾等能力，充分表達出空間與頻譜資源是非常豐富的，將對無線通信的領域開創全新的視野與遠景，當然也是一個極具潛力的研發領域，充滿機會與挑戰。

基於結合感知無線電及合作通信機制的智慧型合作通信系統，是一種嶄新的通信觀念，也逐漸被認定為新世代無線通信技術發展的重點項目之一；基此，本文針對感知無線電及合作通信機制在無線寬頻通信運用方面，闡述相關未來運用與技術發展趨向，期能使讀者掌握並瞭解其觀念與重要性，希能對下一代無線通信發展做奠基準備。

參考資料

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[2] 周賢傳、王建萍及王春江，認知無線電，國防工業出版社，2008年。

[3] H. P. Fitzek and D. K. Marcos, Cooperation in Wireless Networks: Principles and Applications, Springer, Netherlands, 2006.

[4] 彭木根及王文博，協同無線通信原理與應用，機械工業出版社，2008年。

[5] C. Perkins, Ad Hoc Network, Addison-Wesley, 2000.

[6] T. M. Cover and El Gamal, Capacity Theorems for Relay Channel, IEEE Trans. Inform. Theory, 1979.

[7] 羅濤、郝建軍及樂光新，多用戶協同通信與感知技術，中興通信技術，2009。